基于Ω漩渦識(shí)別方法探究轉(zhuǎn)杯凝聚槽漩渦對(duì)紡紗質(zhì)量的影響

摘 要：為了更為準(zhǔn)確地識(shí)別與分析轉(zhuǎn)杯紡轉(zhuǎn)杯內(nèi)復(fù)雜多變流場(chǎng)中的渦流情況，提出了一種結(jié)合Ω漩渦識(shí)別方法和圖像處理的漩渦識(shí)別技術(shù)。文章對(duì)Fluent仿真得到的轉(zhuǎn)杯流場(chǎng)進(jìn)行了分析，得到了凝聚槽平面的漩渦數(shù)量與面積，并進(jìn)一步探究了凝聚槽內(nèi)漩渦分布對(duì)紗線質(zhì)量的影響。結(jié)果表明： Ω漩渦識(shí)別方法對(duì)凝聚槽漩渦有較好的捕捉效果，經(jīng)過(guò)圖像處理后可以定量化分析轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流流場(chǎng)的渦流情況；凝聚槽內(nèi)漩渦主要分布在輸纖通道出口處以及背后氣流交匯處；隨著轉(zhuǎn)速的提升，轉(zhuǎn)杯凝聚槽內(nèi)細(xì)小漩渦面積增加，不利于紗線聚合；較大直徑轉(zhuǎn)杯凝聚槽部位漩渦面積更小，有利于纖維聚合。文章通過(guò)圖像識(shí)別的方式探究轉(zhuǎn)杯內(nèi)流場(chǎng)的漩渦分布特征，為優(yōu)化轉(zhuǎn)杯紡結(jié)構(gòu)提供了一定理論支持。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)杯紡；數(shù)值模擬；氣流場(chǎng)；Ω漩渦識(shí)別方法；圖像處理

中圖分類號(hào)：TS104.71

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2024）07-0013-09

隨著近代空氣動(dòng)力學(xué)研究的深入，大量新的技術(shù)和方法在紡織領(lǐng)域得到應(yīng)用，衍生了許多更有特色的紡紗方法［1-2］。例如，噴氣紡從噴嘴射出高速氣流，氣流使纖維以一定的角度包纏在芯紗之上，完成紗線的紡織；緊密紡用氣動(dòng)集聚效應(yīng)，使?fàn)可靺^(qū)的纖維在負(fù)壓的作用下向須條的中心聚合，大大減少了紗線的毛羽數(shù)量［3-4］；轉(zhuǎn)杯紡?fù)ㄟ^(guò)負(fù)壓氣流實(shí)現(xiàn)纖維的輸送，利用輸纖通道內(nèi)氣流速度的梯度變化，使纖維得到有效的舒展［5］。氣流技術(shù)在紡織行業(yè)的應(yīng)用，大大降低了生產(chǎn)活動(dòng)的加工成本，在提高紗線生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)不斷促進(jìn)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。轉(zhuǎn)杯紡作為一種紡紗領(lǐng)域應(yīng)用最廣的紡織技術(shù)，未來(lái)的發(fā)展方向在于提高生產(chǎn)效率、擴(kuò)大紡紗的支數(shù)范圍、提高成紗質(zhì)量、減少能源消耗等方面［6］。

在轉(zhuǎn)杯紡方面的研究上，目前許多紡織行業(yè)的學(xué)者將焦點(diǎn)集中于轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流場(chǎng)與紗線成型質(zhì)量之間的關(guān)系。Hasani等［7］采用正交實(shí)驗(yàn)法研究了轉(zhuǎn)杯的直徑和轉(zhuǎn)速、假捻盤類型、分梳輥轉(zhuǎn)速等因素對(duì)成紗結(jié)果的影響，確定了能獲得最低毛羽水平的紡紗條件。Lawrence等［8］利用高速攝像機(jī)拍攝從喂入棉條到分梳成棉纖維進(jìn)入輸送通道的整個(gè)過(guò)程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)短纖維在分梳棍的分梳過(guò)程中更容易被排雜通道的負(fù)壓所影響，常因排雜負(fù)壓的作用而進(jìn)入排雜通道，而長(zhǎng)纖維則在略微卷曲的情況下進(jìn)入纖維輸送通道。同時(shí)他們還證明了輸纖通道的形狀會(huì)影響纖維在輸送過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化了通道的結(jié)構(gòu)。此外，還有大量學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬的方法探究影響紗線成紗質(zhì)量的因素。武傳宇等［9］在仿轉(zhuǎn)杯紡運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)內(nèi)部壓力分布的情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)杯凝聚槽處有較大的壓力分布，這影響了紡紗時(shí)轉(zhuǎn)杯和內(nèi)部氣流的穩(wěn)定性，干擾了纖維加捻。Lin等［10］模擬了紡紗過(guò)程中轉(zhuǎn)杯內(nèi)部的氣流分布，從速度和壓力的角度探究了不同轉(zhuǎn)杯結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流場(chǎng)分布的影響，通過(guò)對(duì)比分析氣流特性和紗線性能優(yōu)化了轉(zhuǎn)杯結(jié)構(gòu)。Shi等［11］將實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，通過(guò)彩色煙霧模擬氣流的運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證在轉(zhuǎn)杯中氣流主要受旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，且速度為多環(huán)梯度。在多相流方向，有學(xué)者基于浸入邊界法模擬了彈性細(xì)絲和黏性流體之間的耦合作用，對(duì)彈性纖維在黏性流體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與流體運(yùn)動(dòng)方向之間的關(guān)系進(jìn)行了探究［12］。Pei等［13］考慮了纖維與壁面之間的耦合作用，建立了適用于噴氣織機(jī)的纖維模型。通過(guò)將纖維看作一個(gè)由多個(gè)子單元組成的長(zhǎng)矩形，將力作用于每個(gè)單元的頂點(diǎn)上進(jìn)行求解纖維在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，探究了噴氣紡運(yùn)行過(guò)程中纖維與壁面之間的耦合運(yùn)動(dòng)。Liu等［14］將渦分解為旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)兩個(gè)部分，提出了Ω漩渦識(shí)別方法，克服了傳統(tǒng)渦識(shí)別方法閾值對(duì)識(shí)別效果的干擾，并發(fā)現(xiàn)Ω漩渦識(shí)別方法對(duì)弱渦有更好的捕捉效果。Dong［15］基于Ω漩渦識(shí)別方法，采用大渦模擬的方式，探究了轉(zhuǎn)杯紡轉(zhuǎn)杯內(nèi)渦流的特性與渦流的瞬時(shí)演化過(guò)程，并分析了轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速、直徑等因素對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)渦流特性的影響，發(fā)現(xiàn)足夠大的轉(zhuǎn)杯可以有效緩解氣流場(chǎng)的混亂程度，為選擇合適轉(zhuǎn)杯提供指導(dǎo)。

綜上所述，雖然研究者們已經(jīng)對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)部總體的氣流特性做了大量研究，但是對(duì)于轉(zhuǎn)杯凝聚槽部位的流場(chǎng)特性研究卻較少。作為纖維聚合的工作部位，該位置的流場(chǎng)對(duì)成紗質(zhì)量有較大影響。因此，本文擬建立轉(zhuǎn)杯流道的三維模型，并開(kāi)展轉(zhuǎn)杯內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值仿真，通過(guò)Ω漩渦識(shí)別方法來(lái)探究不同轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速及直徑下凝聚槽部位的氣流流場(chǎng)特性，同時(shí)利用圖像識(shí)別算法來(lái)獲得漩渦圖上漩渦的數(shù)量及面積，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)漩渦的定量化分析，為優(yōu)化轉(zhuǎn)杯紡結(jié)構(gòu)提供一定理論依據(jù)。

1 仿真建模

1.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

本文以市場(chǎng)上常用的抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)的轉(zhuǎn)杯作為參考來(lái)建立三維模型。轉(zhuǎn)杯模型結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。在分梳輥的梳理下，棉條被分梳成為單纖維。受到紡紗器內(nèi)部負(fù)壓的影響，纖維經(jīng)輸纖通道被運(yùn)輸至轉(zhuǎn)杯內(nèi)部，隨后沿壁面滑移進(jìn)入凝聚槽加捻成纖維須條，并由卷繞羅拉從引紗通道引出繞成筒子。

為了節(jié)省計(jì)算資源，對(duì)轉(zhuǎn)杯紡整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，取輸纖通道以及轉(zhuǎn)杯作為主要研究對(duì)象并建立三維模型，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中轉(zhuǎn)杯凝聚槽底部平面中心點(diǎn)為原點(diǎn)，垂直于輸纖通道方向?yàn)閆軸方向，平行于輸纖通道方向?yàn)閄軸方向，垂直于輸纖通道方向?yàn)閅軸方向。

對(duì)該轉(zhuǎn)杯紡流場(chǎng)模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，并對(duì)轉(zhuǎn)杯凝聚槽處的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，總網(wǎng)格數(shù)為1390384。

1.2 控制方程

本文主要分析和研究轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣體在高速旋轉(zhuǎn)工況下氣流的流動(dòng)過(guò)程。該氣流的流動(dòng)受物理守恒定律支配，包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律［16-17］。

質(zhì)量守恒方程如式（1）所示：

ρt+div（ρui）=0（1）

式中：ρ表示介質(zhì)密度，kg/m3；

動(dòng)量守恒方程如式（2）所示：

（ρui）t+div（ρuui）=div（μgradui）-pxi+Si（2）

式中：ui為各個(gè)方向速度，m/s；μ為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s；p為壓力，Pa；Si為xi方向的廣義源項(xiàng)。

由于轉(zhuǎn)杯在工作時(shí)轉(zhuǎn)速能達(dá)到80000 r/min以上，旋轉(zhuǎn)一周所用的時(shí)間尺度很小，且內(nèi)部氣流流動(dòng)產(chǎn)生的熱量很小，轉(zhuǎn)杯內(nèi)部溫度的基本不會(huì)變化，因此不考慮轉(zhuǎn)杯工作時(shí)的能量交換。轉(zhuǎn)杯內(nèi)流場(chǎng)邊界條件設(shè)置如下：

a）進(jìn)口邊界：計(jì)算模型包括兩個(gè)氣流入口，一是纖維輸送管氣流入口，二是導(dǎo)紗管氣流入口，在轉(zhuǎn)杯紡工作過(guò)程中這兩個(gè)入口皆與外界大氣相連通，因此將這兩個(gè)氣流入口設(shè)置為壓力入口，其表壓值皆設(shè)置為0 Pa。

b）出口邊界：由于轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣體是依靠抽氣機(jī)將其抽走，并在杯體內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)，故將轉(zhuǎn)杯與杯蓋之間的環(huán)狀間隙設(shè)置為壓力出口，其出口壓力設(shè)置為-6 kPa。

c）固體邊界：靜止壁面與旋轉(zhuǎn)壁面均采用無(wú)滑移邊界條件。旋轉(zhuǎn)壁面旋轉(zhuǎn)速度等于轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速，設(shè)置為80000 r/min。

1.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

針對(duì)該轉(zhuǎn)杯模型設(shè)計(jì)了4種不同尺寸的網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為70、120、140萬(wàn)。對(duì)這3個(gè)不同數(shù)量的網(wǎng)格，進(jìn)行相同的仿真模擬，得到轉(zhuǎn)杯內(nèi)部的流場(chǎng)。取轉(zhuǎn)杯內(nèi)部Y=2處平面上X軸方向速度變化，繪制了不同數(shù)量網(wǎng)格模型在X軸上的速度變化曲線，如圖3所示。從圖3可以看出：當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較低時(shí)，部分位置速度產(chǎn)生較大波動(dòng)；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)仿真結(jié)果影響變小，其中120萬(wàn)和140萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)的曲線幾乎重合；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于120萬(wàn)時(shí)，網(wǎng)格數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響可以忽略。從計(jì)算成本角度考慮，本文選擇120萬(wàn)網(wǎng)格用于后續(xù)的仿真模擬研究。

2 結(jié)果和分析

2.1 轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流特性

2.1.1 壓力特性

轉(zhuǎn)杯壁面的靜壓分布情況如圖4（a）所示。在輸纖通道內(nèi)，靜壓值隨著通道直徑減小逐漸增加至-7 kPa。轉(zhuǎn)杯壁面上的靜壓分布并不平衡，靠近氣流出口處的靜壓與真空機(jī)抽取空氣形成的負(fù)壓基本相同。而面對(duì)輸纖通道出口處的壁面上靜壓梯度變化較大，這是因?yàn)樵撎幨艿捷斃w氣流的沖擊，使得靜壓變化幅度大，而其余壁面上靜壓分布變化相對(duì)較小。輸纖通道截面的靜壓分布如圖4（b）所示，轉(zhuǎn)杯內(nèi)靜壓值范圍基本在-5～-6 kPa范圍內(nèi)，并且轉(zhuǎn)杯壁面處?kù)o氣壓變小。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)杯內(nèi)空氣被負(fù)壓機(jī)抽走，使轉(zhuǎn)杯內(nèi)整體氣壓保持相對(duì)穩(wěn)定，靠近壁面壁面處氣流受轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)影響發(fā)生變化。

2.1.2 速度特性

轉(zhuǎn)杯紡工作時(shí)，空氣主要從輸纖通道和引紗管補(bǔ)入，氣流流線分布如圖5所示。氣流的速度在輸纖通道內(nèi)逐漸增加，離開(kāi)通道后沿著壁面進(jìn)入轉(zhuǎn)杯凝聚槽。轉(zhuǎn)杯壁面附近氣流主要受到轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)影響，沿壁面做類似圓周的運(yùn)動(dòng)，氣流沿轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)方向斜向上從出口流出。整個(gè)轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流主要集中在壁面附近，轉(zhuǎn)杯中心處氣流較少。

圖6為轉(zhuǎn)杯內(nèi)不同截面速度云圖。圖6（a）為輸纖通道截面速度云圖，在輸纖通道內(nèi)氣流速度呈梯度增加，越接近通道出口處氣流速度變化越快。輸纖通道內(nèi)的速度變化直接影響到纖維在該部位能否得到充分的舒展，通道內(nèi)速度梯度越大，越有利于纖維以直線的形態(tài)進(jìn)入轉(zhuǎn)杯，可以有效減少紗線棉結(jié)的數(shù)量。轉(zhuǎn)杯內(nèi)壁面附近氣流受轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)影響，速度相對(duì)較快且變化較小，其余空間內(nèi)氣流變化較大。轉(zhuǎn)杯凝聚槽平面速度云圖如圖6（b）所示，轉(zhuǎn)杯凝聚槽位置氣流速度最快且呈圓環(huán)狀，轉(zhuǎn)杯腔體內(nèi)速度整體較小。在靠近轉(zhuǎn)杯輸纖通道一側(cè)有一長(zhǎng)帶

狀區(qū)域具有較快的氣流速度，這是因?yàn)檩斃w通道進(jìn)入的氣流在此處向上從氣流出口排出。圖6的流場(chǎng)反映了纖維在轉(zhuǎn)杯內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，纖維依次經(jīng)過(guò)輸送通道、滑移壁面、凝聚槽，在氣流與離心力的共同作用下加捻成紗線，最后從引紗通道引出。

2.2 Ω法則識(shí)別漩渦

Liu［14］等基于渦量理論提出了一種新型的漩渦識(shí)別法則，相較于傳統(tǒng)基于標(biāo)量的等值面來(lái)判斷渦結(jié)構(gòu)的方式，Ω漩渦識(shí)別法則引入了漩渦方向等條件，能給出渦結(jié)構(gòu)的更多信息。在該方法中渦量被分解為旋轉(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)部分，并引入了一個(gè)參數(shù)Ω來(lái)代表渦量旋轉(zhuǎn)部分占總渦量的比例，表示為反對(duì)稱張量范數(shù)的平方與對(duì)稱張量范數(shù)平方和反對(duì)稱張量范數(shù)平方之和的比率，如式（3）所示：

Ω=B2FA2F+B2F（3）

式中：A為流場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)速度梯度張量的對(duì)稱張量（代表流體的變形運(yùn)動(dòng)）；B為流場(chǎng)內(nèi)某點(diǎn)速度梯度張量的反對(duì)稱張量（代表流體的旋轉(zhuǎn)）。

在實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)在該式的分母處加上一個(gè)小的正參數(shù)ε來(lái)避免零除問(wèn)題，因此式 （3）變?yōu)椋?/p>

Ω=B2FA2F+B2F+ε（4）

顯然Ω的取值范圍為0lt;Ωlt;1，該數(shù)值代表了渦量濃度。Ω大于0.5表示反對(duì)稱張量B相較于對(duì)稱張量A占優(yōu)，因此，當(dāng)Ω大于0.5時(shí)，即可判斷該位置存在漩渦。本文采用Ω=0.52作為判斷漩渦的邊界。

在紡紗過(guò)程中，轉(zhuǎn)杯內(nèi)部流場(chǎng)特性對(duì)紡紗結(jié)果起決定性作用，且纖維聚合成紗線這一步驟在凝聚槽部位實(shí)現(xiàn)，因此本文以轉(zhuǎn)杯凝聚槽平面（XOZ平面，Y=2 mm）為主平面，探究不同紡紗條件對(duì)紡紗結(jié)果的影響。圖7是直徑為34 mm轉(zhuǎn)杯的凝聚槽平面的流線圖和漩渦圖，圖7（b）中白色區(qū)域?yàn)棣竒t;0.52面積，即識(shí)別為漩渦的區(qū)域。從圖7中可以看到，相較于通過(guò)流線觀察漩渦的大小及位置，Ω漩渦識(shí)別方法對(duì)該平面內(nèi)的漩渦有更為優(yōu)秀的捕捉能力。該方法不僅可以捕捉到流線圖上顯示的大漩渦，對(duì)于流線圖上無(wú)法發(fā)現(xiàn)的凝聚槽處的細(xì)小漩渦也有較好的捕捉效果。觀察凝聚槽內(nèi)漩渦分布可以發(fā)現(xiàn)，漩渦主要出現(xiàn)在輸纖通道出口處以及氣流交匯處，因?yàn)檫@兩個(gè)位置氣流流場(chǎng)較為復(fù)雜，容易生成漩渦。另外，在引紗通道處產(chǎn)生了一定數(shù)量面積較大的漩渦，這些漩渦會(huì)影響紗線的牽引以及加捻效果。

2.3 圖像識(shí)別評(píng)判渦圖

本文通過(guò)圖像識(shí)別方法對(duì)轉(zhuǎn)杯凝聚槽平面漩渦數(shù)量及面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步探究不同轉(zhuǎn)杯結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響。首先為了增強(qiáng)漩渦和背景的色彩對(duì)比度，方便后續(xù)圖像處理步驟的進(jìn)行，對(duì)所得到的漩渦圖進(jìn)行圖像預(yù)處理，將彩色漩渦圖轉(zhuǎn)換為灰度圖像。接著利用直方圖均衡化技術(shù)對(duì)灰度化后的圖像進(jìn)行增強(qiáng)操作，調(diào)節(jié)對(duì)比度，得到預(yù)處理圖像。之后基于最大類間方差法實(shí)現(xiàn)漩渦圖的二值化。最后利用區(qū)域增長(zhǎng)法標(biāo)記圖像上的漩渦并計(jì)算每個(gè)漩渦的面積（見(jiàn)圖8），得出該漩渦圖上共有112個(gè)漩渦，總面積為121 mm2。

區(qū)域增長(zhǎng)法是一種以區(qū)域?yàn)閷?duì)象，通過(guò)考慮區(qū)域內(nèi)部與區(qū)域之間的同異性來(lái)區(qū)分識(shí)別邊界的方法?；趨^(qū)域的分割方法關(guān)鍵在于定義一個(gè)增長(zhǎng)準(zhǔn)則，用于判定兩個(gè)相互接壤的區(qū)域是否可以合并，通過(guò)不斷融合符合所定義增長(zhǎng)準(zhǔn)則的相鄰區(qū)域，找到所識(shí)別物體的邊界。利用區(qū)域增長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)面積統(tǒng)計(jì)的一般步驟為：a）對(duì)圖像進(jìn)行掃描，找到第一個(gè)未訪問(wèn)過(guò)的點(diǎn)；b）以該像素點(diǎn)為中心，向其8鄰域像素點(diǎn)增長(zhǎng)，判斷是否滿足增長(zhǎng)準(zhǔn)則，滿足則將領(lǐng)域像素點(diǎn)合并并記錄入堆棧；c）從堆棧中選取一個(gè)像素點(diǎn)作為初始點(diǎn)進(jìn)行上一步驟，直至堆棧為空；d）重復(fù)上方步驟直到所有像素點(diǎn)都被訪問(wèn)過(guò)。實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)利用該方法可以準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出平面上漩渦的數(shù)量以及面積，并通過(guò)這些數(shù)據(jù)對(duì)漩渦圖進(jìn)行更直觀準(zhǔn)確的分析。

2.4 轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速對(duì)流場(chǎng)特性的影響

轉(zhuǎn)速是影響紗線力學(xué)性能的重要參數(shù)之一，為探究轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)速度對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流場(chǎng)特性的影響，本文對(duì)不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)杯內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真。圖9是轉(zhuǎn)杯凝聚槽平面渦旋圖。從圖9中可以看出，不同轉(zhuǎn)速下，左側(cè)纖維輸送通道出口處的漩渦數(shù)量基本沒(méi)有變化。不過(guò)，隨著速度的提升，凝聚槽部位沿著順時(shí)針?lè)较虺霈F(xiàn)了一定數(shù)量的新漩渦，且原有的漩渦有逐漸增大的趨勢(shì)。凝聚槽部分漩渦的增加會(huì)影響纖維在凝聚槽聚合的穩(wěn)定性，阻礙纖維在轉(zhuǎn)杯凝聚槽部位的加捻聚合，降低成紗質(zhì)量。為了定量對(duì)比不同轉(zhuǎn)速下凝聚槽部位的漩渦分布情況，對(duì)靠近壁面2 mm的部分進(jìn)行圖像處理，并識(shí)別了該區(qū)域漩渦面積以及數(shù)量，結(jié)果如表1所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?0000 r/min上升到90000 r/min時(shí)，渦面積從14.1 mm2上升至18.5 mm2，但漩渦個(gè)數(shù)基本不變，因?yàn)樵撁娣e的上升主要是由少數(shù)漩渦變大造成的，尤其是位于輸纖通道出口對(duì)側(cè)的氣流交匯處。

2.5 轉(zhuǎn)杯直徑對(duì)流場(chǎng)特性的影響

轉(zhuǎn)杯直徑的變化同樣對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流有一定影響，與大轉(zhuǎn)杯相比，直徑較小的轉(zhuǎn)杯內(nèi)部漩渦數(shù)量更多。隨著轉(zhuǎn)杯直徑的增加，轉(zhuǎn)杯內(nèi)漩渦數(shù)量以及面積減少，轉(zhuǎn)杯腔體內(nèi)氣流流場(chǎng)穩(wěn)定性提高。圖10是不同直徑轉(zhuǎn)杯在80000 r/min轉(zhuǎn)速下漩渦圖。當(dāng)轉(zhuǎn)杯直徑增加時(shí)，由于壁面離輸纖通道出口距離增加，位于左側(cè)的漩渦面積減小，沿順時(shí)針?lè)较虻男u旋數(shù)量也減少。當(dāng)轉(zhuǎn)杯直徑從34 mm上升至40 mm時(shí)，轉(zhuǎn)杯中心的漩渦面積減少，該部分氣流流場(chǎng)平穩(wěn)性提高。同理，對(duì)靠近壁面2 mm的部分進(jìn)行圖像處理，識(shí)別該區(qū)域漩渦面積以及數(shù)量，結(jié)果如表2所示。當(dāng)直徑增加時(shí)，漩渦個(gè)數(shù)總體沒(méi)有改變而漩渦面積呈下降趨勢(shì)，當(dāng)直徑從34 mm增加至43 mm時(shí)，漩渦面積從15.6 mm2降低至10.7 mm2，降低了31.4%。轉(zhuǎn)杯直徑的增加使凝聚槽受到輸纖通道氣流的影響大幅降低，大漩渦的數(shù)量明顯減少，有利于纖維的加捻聚合，提高紗線質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)表1和表2分析可以發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)杯紡工

作過(guò)程中，轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速提高以及轉(zhuǎn)杯直徑增大均會(huì)使轉(zhuǎn)杯凝聚槽平面漩渦的面積增大。這些漩渦的變化會(huì)影響纖維的聚合加捻過(guò)程，使紡出的紗線質(zhì)量下降。考慮到在紡紗過(guò)程中難以通過(guò)直接觀察或測(cè)量的方式得到轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流狀態(tài)，本文采用紗線檢測(cè)儀器對(duì)不同工況下的紗線質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，以紗線的質(zhì)量來(lái)反映纖維在凝聚槽內(nèi)的聚合效果。

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

為探究Ω漩渦識(shí)別方法識(shí)別的渦旋圖對(duì)紡紗效果評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，通過(guò)控制單一變量的方式設(shè)計(jì)A、B兩組實(shí)驗(yàn)。該兩組實(shí)驗(yàn)均采用相同的紡紗工藝和棉條原料紡紗，并使用紗線質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)每組實(shí)驗(yàn)紗線的質(zhì)量。其中紡紗工藝具體參數(shù)及關(guān)鍵零件規(guī)格如下：紡制號(hào)數(shù)為14.6 g/km的紗線，采用OK40齒條型分梳輥，分梳輥轉(zhuǎn)速設(shè)置為8200 r/min，引紗速度為59 m/min，阻捻盤采用r7 螺旋陶瓷規(guī)格。

在實(shí)驗(yàn)中，A組實(shí)驗(yàn)僅改變紡紗時(shí)轉(zhuǎn)杯的轉(zhuǎn)速，采用直徑為34 mm的轉(zhuǎn)杯，轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為70000、80000、90000 r/min。B組實(shí)驗(yàn)僅改變紡紗時(shí)轉(zhuǎn)杯的直徑，采用80000 r/min轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)杯直徑分別為34、40、43 mm。兩組實(shí)驗(yàn)采用的紡紗棉條均為新疆長(zhǎng)絨棉，單次紡紗長(zhǎng)度為10000 m，每次紡紗結(jié)束后測(cè)量該組紗線的變異系數(shù)、粗節(jié)數(shù)量、細(xì)節(jié)數(shù)量以及紗線強(qiáng)度，以變異系數(shù)反映條干均勻度及紗線強(qiáng)度波動(dòng)，評(píng)價(jià)紗線質(zhì)量。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用檢測(cè)設(shè)備YG139 條干均勻度測(cè)試儀及YM065SYQ紗線強(qiáng)度測(cè)試儀，在恒溫恒濕條件下進(jìn)行紗線質(zhì)量檢測(cè)。本文總共進(jìn)行了10次循環(huán)數(shù)據(jù)檢測(cè)，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)時(shí)，紗線在紡紗過(guò)程中有時(shí)會(huì)受到環(huán)境因素略有波動(dòng)，影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，所以對(duì)各實(shí)驗(yàn)次數(shù)下的紗線數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均處理，結(jié)果如表3—表4所示：

對(duì)比分析采用不同直徑與轉(zhuǎn)速時(shí)紗線的質(zhì)量數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)紡紗時(shí)轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)杯直徑對(duì)紡紗結(jié)果均有一定程度的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速?gòu)?0000 r/min增加至90000 r/min時(shí)，紗線變異系數(shù)從15.33提高至15.99，條干的整體均勻度下降4.3%，且紗線每千米條干上粗節(jié)與細(xì)節(jié)的數(shù)量上升，粗節(jié)數(shù)量增加23.6%，細(xì)節(jié)數(shù)量增加20.6%，紗線毛羽增多；紗線斷裂強(qiáng)力從182.7 cN下降至179.3 cN，強(qiáng)度質(zhì)量變異系數(shù)從8.2%上升至12.49%，紗線平均強(qiáng)力波動(dòng)明顯增加，紗線質(zhì)量呈下降趨勢(shì)。同樣，當(dāng)轉(zhuǎn)杯直徑從34 mm增大至43 mm時(shí)，變異系數(shù)從15.53下降至15.02，其條干的整體均勻度提升3.3%，且其每千米條干上粗節(jié)與細(xì)節(jié)的數(shù)量下降，粗節(jié)數(shù)量減少10.1%，細(xì)節(jié)數(shù)量減少7.5%；紗線斷裂強(qiáng)力從181.4 cN提升至187.9 cN，強(qiáng)度質(zhì)量變異系數(shù)從10.89%下降至9.40%，紗線平均強(qiáng)力波動(dòng)減少，紗線質(zhì)量呈上升趨勢(shì)。

兩組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說(shuō)明，紗線質(zhì)量與轉(zhuǎn)杯的轉(zhuǎn)速和直徑有關(guān)，一定條件下轉(zhuǎn)速越高、直徑越小的紗線質(zhì)量越差。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與通過(guò)基于仿真得到的渦旋圖得出的判斷基本一致，表明了使用Ω漩渦識(shí)別方法分析預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)杯紡成紗質(zhì)量的可行性。

4 結(jié)論

本文建立了轉(zhuǎn)杯紡的三維模型，通過(guò)Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用Ω漩渦識(shí)別方法對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)部漩渦分布情況進(jìn)行定量分析。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到結(jié)論如下：

a）Ω漩渦識(shí)別方法能對(duì)凝聚槽部位的漩渦進(jìn)行捕捉，發(fā)現(xiàn)凝聚槽內(nèi)漩渦主要分布在輸纖通道出口處以及背后氣流交匯處。

b）相對(duì)于傳統(tǒng)觀察方法，本文所提出的通過(guò)圖像處理對(duì)漩渦圖漩渦的數(shù)量和面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法能更快且定量化分析轉(zhuǎn)杯內(nèi)部流場(chǎng)狀況，對(duì)流場(chǎng)內(nèi)的細(xì)小漩渦仍有較好的捕捉效果。

c）轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速的提升會(huì)使漩渦的面積增加，這不利于纖維在凝聚槽內(nèi)的聚合過(guò)程，影響紗線質(zhì)量。

d）當(dāng)轉(zhuǎn)杯直徑增加時(shí)，輸纖通道出口處的漩渦明顯減少，轉(zhuǎn)杯腔體中間部分漩渦面積減少，且大面積的漩渦數(shù)量減少，氣流流場(chǎng)變得更加穩(wěn)定。

本文研究結(jié)果為探究轉(zhuǎn)杯內(nèi)部流場(chǎng)特征與成紗質(zhì)量之間的關(guān)系提供了參考，為優(yōu)化轉(zhuǎn)杯結(jié)構(gòu)提供了一定的技術(shù)支撐。

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Influence of vortexes within the rotor's condensation slot on yarn quality

based on Ω vortex identification method

QIAN" Miao1，" YANG" Zhenbin1，" SHI" Huanqiang2，" XIANG" Zhong1，" ZHANG" Jianxin1

（1.Key Laboratory of Modern Textile Machinery amp; Technology of Zhejiang Province， Zhejiang Sci-Tech

University， Hangzhou 310018， China; 2.Zhejiang Taitan Co.， Ltd.， Xinchang 312500， China）

Abstract：

Rotor spinning utilizes airflow as a driving force to achieve operations such as fiber transport and aggregation. The characteristics of the airflow field during the spinning process directly impact the spinning results. The article employs simulation software to model the movement of airflow within the rotor， investigating the correlation between the airflow field inside the rotor and the quality of yarns. The research provides valuable guidance for enhancing the structure of rotor spinning.

To more accurately identify and analyze the vortex patterns within the complex and dynamic flow field inside the rotor in air-jet spinning， a vortex identification method combining the Ω vortex determination criteria with image processing was proposed. The method involved analyzing the flow field within the rotor obtained through simulation with FLUENT.， provideing insights into the number and area of vortexes in the condensation slot. The properties of these vortexes were further discussed.The simulation analysis results indicate that the distribution of static pressure values on the rotor's surface is uneven， leading to varying pressures at different locations across the rotor. Within the fiber delivery channel， the static pressure gradually increases to -7 kPa as the channel diameter decreases. Notably， there is a substantial static pressure gradient change on the wall surface near the channel outlet." Inside the rotor， the fastest airflow velocity observed at the location of the condensation slot forms a circular ring of high velocity. The middle section of the rotor experiences slower airflow velocities， extending to the entrance of the yarn guide tube. On the side of the rotor closer to the fiber delivery channel， there is a long strip-like region with higher airflow velocity. By observing the vortexes identified using the Ω method， it is evident that this approach has a superior ability to capture vortexes within the plane. It not only captures the larger vortexes displayed in streamline plots but also effectively captures smaller vortexes within the condensation slot that may not be discernible in streamline plots. Additionally， vortexes within the condensation slot are primarily concentrated at the outlet of the fiber delivery channel and at the intersection of airflow behind it. This phenomenon arises due to the relatively complex airflow movement in these two positions. As the rotational speed increases， the area of smaller vortexes inside the rotor's condensation slot also increases. The vortex area increases from 14.1 mm2 to 18.5 mm2， and the yarn coefficient of variation increases from from 15.33 to 15.99， resulting in decreased overall yarn uniformity. The increase in rotational speed also leads to an increase in the number of coarse and fine nodes on the yarn， resulting in a decline in yarn quality. When the rotor diameter is increased， the area of vortexes within the rotor's condensation slot decreases. The vortex area reduces from 15.6 mm2 to 10.7 mm2， representing a reduction of 31.4%. The coefficient of variation decreases from 15.53 to 15.02， indicating enhanced yarn uniformity and improved spinning results.

The Ω vortex identification method exhibits excellent capturing capability for vortexes on the plane of the condensation slot. After undergoing image processing， this method allows for the quantitative analysis of the vortex patterns within the internal airflow field of the spinning cup. Vortexes within the condensation slot are mainly concentrated at the outlet of the fiber delivery channel and at the intersection of airflow behind it. Lowering the spinning cup's rotational speed and increasing its diameter can enhance the quality of the yarn.

Keywords：

rotor spinning; numerical simulation; airflow field; Ω vortex identification method; image processing